《控制系统的校正》PPT课件

第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析控制系统的校正控制系统的校正 控制系统设计概述控制系统设计概述1 1控制系统设计的概念控制系统设计的概念所谓系统设计，就是在给定的性能指标下，对于给定的对象模型，确定一个能够完成给定任务的控制器(常称为校正器或者补偿控制器)，即确定校正器的结构与参数。所谓给定任务即指系统满足的静态与动态性能要求，控制系统设计又叫做控制系统的校正或者控制系统的校正设计。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析系统的静态性能指标有：稳态误差(ess)，静态位置误差系数(kp)，静态速度误差系数(kv)，静态加速度误差系数(ka)等。系统的动态性能指标有时域的与频域的。时域指标为超调量()、峰值时间(tp)、调节时间(ts)等；频域指标有峰值(Am)、峰值频率(m)、频带(b)、剪切频率(c)、模值稳定格度(Ln)、相角稳定裕度()等。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析2 2控制系统的设计方式控制系统的设计方式在经典控制系统里，主要数学模型是微分方程或传递函数。基于传递函数模型的有动态结构图、频率特性等。故控制系统设计方法有基于微分方程求解的分析微分方程特征根的根轨迹法，有基于频率特性的波特图法。校正设计中要注意校正方式和选择参数的非唯一性，参数计算和元件选择时要留有余量。按照校正器与给定受控对象连接的方式，有串联校正、反馈校正、前置校正与干扰补偿四种。串联校正方式在设计计算时用定性的方法比较简单，易于实现信号转换，但信号衰减大，装置的功耗大。串联校正可以分为超前、滞后以及超前滞后三种校正方式，分别适用于不同的场合。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析1）超前校正设计超前校正设计是指利用校正器对数幅频曲线有正斜率(即幅频曲线的渐近线与横坐标夹角的正切值大于零)的区段及其相频曲线具有正相移(即相频曲线的相角值大于零)区段的系统校正设计。这种校正设计方法的突出特点是校正后系统的剪切频率比校正前的大，系统的快速性能得到提高。如果采用无源网络作校正器，会产生增益损失，现已被有源校正所代替。这种校正设计方法被要求稳定性好、超调小以及动态过程响应快的系统经常采用。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析2）滞后校正设计滞后校正设计是指利用校正器对数幅频特性曲线具有负斜率(即幅频曲线的渐近线与横坐标夹角的正切值小于零)的区段及其相频特性曲线具有负相移(即相频曲线的相角值小于零)区段的系统校正设计。这种校正设计方法的突出特点是校正后系统的剪切频率比校正前的小，系统的快速性能变差，但系统的稳定性却得到提高。可见，在系统快速性要求不是很高，而稳定性与稳态精度要求很高的场合，滞后校正设计方法是很适合的。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析3）滞后超前校正设计滞后超前校正设计是指既有滞后校正作用又有超前校正作用的校正器设计。它既具有滞后校正高稳定性、高精确度的长处，又具有超前校正响应快、超调小的优点。虽然这种校正所用装置或元器件要多些，会增加设备投资，但因其优良的性能，在要求高的设备中还是经常被采用。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析4）反馈校正除了前面介绍的三种串联校正方法之外，反馈校正（又称并联校正）也是广泛采用的系统设计方法之一。反馈校正主要是利用校正装置的频率特性，在中频区段代替或改变原系统的频率特性，使系统符合所需的期望特性，从而达到系统所要求的性能指标，反馈校正可以削弱系统的非线性特性的影响，提高响应速度，降低对参数变化的敏感性，拟制噪声的影响。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析3 3控制系统的设计要点控制系统的设计要点(1）当系统的性能指标是以最大超调量，上升时间，调整时间，阻尼比以及希望的闭环极点的无阻尼自振频率等表示时，采用根轨迹法进行校正比较方便。在设计系统时，如果需要对增益以外的参数进行调整，则必须通过引入适当的校正来改变原来的根轨迹，当在开环传递函数上增加极点时，则可以使根轨迹向右方向移动，一般会降低系统的稳定性，增大系统的调整时间，而当在开环传递函数上增加零点时，则可以使根轨迹向左方向移动，通常会提高系统的稳定性。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析(2）当系统的性能指标是以稳态误差、相角裕度、幅值裕量、谐振峰值和带宽等表示时，采用频率法进行校正比较方便。频率法中的串联超前校正主要是利用校正装置的超前相位在穿越频率处对系统进行相位补偿，以提高系统的相位稳定裕量，同时也提高了穿越频率值，从而改善了系统的稳定性和快速性。超前校正主要适用于稳态精度不需要改变，暂态性能不佳，而穿越频率附近相位变化平稳的系统。串联滞后校正在于提高系统的开环增益，从而改善控制系统的稳态性能，而尽量不影响系统原有的动态性能。(3）串联滞后超前校正可兼有上述两种作用，主要应用于要求较高，而单纯的超前或滞后校正不能满足或者无法应用的系统的校正。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析基于根轨迹图的校正方法基于根轨迹图的校正方法根轨迹法校正即是借助根轨迹曲线进行校正，系统的期望主导极点往往不在系统的根轨迹上。由根轨迹的理论，添加上开环零点或极点可以使根轨迹曲线形状改变。若期望主导极点在原根轨迹的左侧，则只要加上一对零极点，使零点位置位于极点右侧。如果适当选择零、极点的位置，就能够使系统根轨迹通过期望主导极点s1，并且使主导极点在s1点位置时的稳态增益满足要求。此即为相位超前校正。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析【例】已知系统的开环传递函数为 4( )(2)G ss s要求p20%，tskk=-24-2480第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析（2）Ackermann法：clcclearalln=1;d=118720;a,b,c,d=tf2ss(n,d);%ay=poly(a) %计算原系统的特征多项式as=poly(-10,-2+2i,-2-2i) %计算配置极点的特征多项式hemil=polyvalm(as,a)k=0 0 1*inv(ctrb(a,b)*hemil; 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析运行结果：as = 1 14 48 80hemil = -496 -3456 0 48 368 0 -4 -24 80 kk =-4 -24 80 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析2.2.二次型最优控制问题二次型最优控制问题线性二次型最优控制设计是基于状态空间技术设计一个优化的动态控制器，其目标函数是对象状态和控制输入的二次型函数。二次型问题就是在线性系统约束条件下，选择控制输入使二次型目标函数达到最小。线性二次型最优控制一般包括两个方面的问题，即线性二次型最优控制（LQ问题），针对具有状态反馈的线性最优控制系统；线性二次型高斯最优控制问题（LQG问题），一般针对具有系统噪声和测量噪声的系统，采用卡尔曼滤波器观测系统的状态。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析已知系统方程 BuAxx确定最优控制向量：u(t)=-Kx(t)的矩阵K，使得性能指标 0)HHJx Qxu Ru dt达到极小。式中Q是正定（或正半定）Hermite或实对称矩阵，R是正定Hermite或实对称矩阵。矩阵Q和R确定了误差和能量损耗的相对重要性。在此，假设控制向量u(t)是不受约束的。 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析在MATLAB中，命令lqr(A,B,Q,R)可解连续时间的线性二次型调节器问题，并可解与其有关的黎卡提方程。该命令可计算最优反馈增益矩阵K，并且产生使性能指标： 0d)(tRuuQxxJ在约束方程条件下达到极小的反馈控制律：u=-Kx。 另一个命令：K，P，E=lqr(A,B,Q,R)也可计算相关的矩阵黎卡提方程： 的唯一正定解P。如果A-BKA-BK为稳定矩阵，则总存在这样的正定矩阵。利用这个命令能求闭环极点或A-BK的特征值。 BuAxxQPPBRBPAPAHH0第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析【例】已知某控制系统的开环传递函数为 210( )(0.10.21)G ssss试考察原系统的性能，并用线性二次型最优控制方法设计状态反馈控制律。执行下面的程序：clcclearalln1=10;d1=;gm,pm,wg,wp=margin(n1,d1)gm=0pm=0wg=NaNwp=NaN 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析从上述程序的执行结果可以知道。该系统是不稳定的。%lm=20*log(gm)设计线性二次型控制律如下：a,b,c,d=tf2ss(n1,d1);q=eye(size(a)r=1;k,p,e=lqr(a,b,q,r);q=100010001k=1.0000 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析p=1.00002.358810.2819ZK）e=-1.1297+2.9633j-1.1297-2.9633j-0.0994 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析状态加权矩阵Q取单位矩阵，即各状态加权值相等时，系统有一个慢变单极点。q(3,3)=1;k,p,e=lqr(a,b,q,r)aa=a-b*k;y,x,t=step(aa,b,c,d);subplot(221);plot(t,y,b);title(q(3,3=1);q(3,3)=10;k,p,e=lqr(a,b,q,r)aa=a-b*k;y,x,t=step(aa,b,c,d);subplot(222); 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析plot(t,y,b);title(q(3,3=10);q(3,3)=100;k,p,e=lqr(a,b,q,r)aa=a-b*k;y,x,t=step(aa,b,c,d);subplot(223);plot(t,y,b);title(q(3,3=100);q(3,3)=200;k,p,e=lqr(a,b,q,r)aa=a-b*k;y,x,t=step(aa,b,c,d);subplot(224);plot(t,y,b);title(q(3,3=200);q(3,3)=200时的K值： 第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析k=14.1421p=14.142152.3028202.7834q(3,3)=200时的特征值：e=-1.2219+3.1273j-1.2219-3.1273j第第4 4章控制系统的仿真分析章控制系统的仿真分析图463系统的仿真结果